KR102148680B1 - 냉장의 개선 - Google Patents

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Abstract

시스템은 극저온 엔진 시스템 및 냉장 시스템을 포함하는데, 극저온 엔진 시스템 및 냉장 시스템은 서로 기계적으로 및/또는 열적으로 커플링된다. 냉장 시스템은 극저온 엔진 시스템에 의하여 구동되고 극저온 엔진 시스템은 냉장 시스템의 냉각을 향상시킨다.

Description

냉장의 개선{IMPROVEMENTS IN REFRIGERATION}
본 발명은 극저온 엔진 및 냉장 시스템을 포함하는 시스템에 관련된다.
오늘날 사용되는 다수의 차량 수송 냉장 시스템은 냉장된 트레일러에 탑재된 보조 발전기를 사용하여 직접적으로 또는 트랙터 교류발전기를 통해서 엔진 유닛으로부터 파워를 기계적으로 또는 전기적으로 취함으로써 간접적으로 동력공급된다. 그러면 냉각은 표준 폐루프 냉장 시스템을 구동하기 위하여 이러한 파워를 사용함을 통해서 획득된다.
통상적으로, 파워 시동(power take-off) 및 냉장 유닛 모두는 이동 중에 냉장실 온도를 유지하기 위하여 통상적으로 요구되는 냉각 수준을 위해서 자세히 특정된다. 이것은 여러 이유들 때문이다:
냉장 유닛은 문이 열린 뒤에 컨테이너를 냉각시킬 수 있어야 한다;
이러한 저온실의 단열 속도는 매년 3 - 5 %만큼 열화되고, 전체 수명에 걸쳐 요구되는 냉각력을 증가시킨다; 그리고
APT는 냉장 유닛이 30 ℃ 주위 온도에서 컨테이너 벽을 통한 열전달의 1.35 내지 1.75 배의 열을 추출할 수 있어야 한다고 의무화한다.
이것의 결과는 모바일 차량에 있는 냉장 유닛이 그들의 동작 수명의 많은 부분을 비효율적 포인트에서 동작하면서 소모한다는 것이다. 이것의 결과는 모바일 냉장 유닛의 성능의 계수가 통상적으로 다른 냉각 장비보다 많이 낮다는 것이다(예를 들어 -20 ℃에 있는 냉동실에 대해서 약 0.5 이고 3 ℃로 냉장되는 냉장실에 대해서 내지 1.5-1.75).
현재, 영국의 총 온실가스 배출량의 약 0.05%가 음식 수송을 위하여 사용되는 냉장 장비로부터 비롯된다고 추정된다. 이것은 적은 비율이지만 큰 양을 나타낸다. 결과적으로, 냉장된 수송 유닛으로부터의 방출을 감소시켜야 하는 필요성이 존재한다. 이러한 냉장 유닛을 위한 탄화수소 연료의 비효율적 사용도 역시 불리하고, 따라서 이러한 애플리케이션에서 그들의 소비량을 감소시키는 방법이 필요하다.
다수 개의 대안적 냉각 방법이 제안된 바 있다. 이것들은 연료 셀 또는 배터리 전기를 통한 에너지 저장인데, 이들에 대해서는 비용, 기반구조 및 충전 시간의 단점들이 바람직하지 않다고 공지된다. 상변화 재료를 채용하는 공정 빔(Eutectic beam)이 저온 저장하기 위하여 사용되어 왔지만, 이들은 큰 무게의 단점을 부과한다. 트랙터 파워 유닛 폐열을 이용하는 흡수 및 흡수법이 공지되지만, 이들은 부피가 크고 트랙터 파워 유닛으로부터의 고품질 열에 의존하는데, 이것은 아이들 상태에서는 가능하지 않을 수도 있다. 냉장실로부터의 공기를 사용하는 에어 사이클 냉장 시스템은 냉매에 대한 필요성을 제거하는데, 하지만 여전히 파워 소스를 요구한다.
액체 질소와 같은 극저온 유체가 단열된 용기 내에 저장되고 냉각원으로서 사용되는 다양한 극저온 시스템이 설명된 바 있다. 이것은 제 WO 2011/126581 호 및 제 US 3699694 호에 기술된 바와 같이 한제(cryogen)를 냉동실에 분사함으로써 이것을 직접적으로 사용하는 시스템 및 제 WO 2010/128233 호 및 제 WO 01/53764 호에 기술된 바와 같이 한제를 열 교환기를 통해서 간접적으로 사용하는 시스템, 그리고 이들 모두의 혼합으로서 일반적으로 그루핑될 수 있다. 한제를 독립적으로 파워가 공급되는 냉장 시스템과 함께 사용하여 운반되어야 하는 한제의 양을 감소시키는 것도 역시 공지된다. 제 EP 0599612 호에서, 한제는 슬러리 탱크 내의 냉매와 직접적으로 열을 교환한다. 간접적 열 교환으로부터의 가열되거나 통기된 증기를 사용하여 에어 변위 팬을 구동하는 포텐셜은 제 WO 2007/116382 호 및 제 EP 0599626 호에서 고려된 바 있다.
그러나, 한제의 직접적 사용은 극저온 유체의 많은 선택들과 함께 질식 위험성을 내포할 수 있다. 더욱이, 극저온 물질을 사용하는 현존 냉각 시스템은 비효율적이다. 그러므로, 극저온 물질의 유용한 성질을 채용하는, 상업적으로 가능하고 효율적이며 안전하고 지속가능한(sustainable) 냉각 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 위의 문제점들을 다루는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 시스템으로서, 작동 유체(WF)를 이용하는 극저온 엔진 시스템; 및 열 교환 시스템을 포함하는 냉장 시스템을 포함하는 시스템이 제공되는데, 상기 극저온 엔진 시스템 및 냉장 시스템은 상기 열 교환 시스템을 통하여 서로 열적으로 커플링되어, 상기 극저온 엔진 시스템 내의 작동 유체(WF)가 상기 냉장 시스템으로부터의 열을 제거하기 위한 히트 싱크로서 작동하고 상기 냉장 시스템에 의하여 발생된 열이 상기 극저온 엔진 시스템 내의 작동 유체(WF)를 팽창시키도록 사용되게 한다.
극저온 엔진 시스템을 냉장 시스템과 커플링하는 것의 장점은, 냉장 시스템이 크기가 줄어들 수 있고 유닛 온도를 유지하기 위해서만 사용될 수 있는 반면에 극저온 유체는 직접적으로 사용되어 고속 온도 내림 및 정숙(quiet) 동작과 같은 이점을 획득할 수 있다는 것이다. 더 나아가, 냉장실로부터의 열은 팽창 단계 이전에 극저온 유체를 데우기 위하여 사용될 수도 있고, 따라서 극저온 엔진의 효율을 크게 향상시킨다.
시스템은 또한 냉장실(refrigeration compartment)을 포함할 수도 있고, 극저온 엔진 시스템은 상기 냉장실로부터의 열을 제거하기 위한 직접적 히트 싱크일 수도 있다.
편리하게, 상기 열 교환 시스템은 상기 냉장실의 내부와 직접적 열접촉하고 상기 작동 유체를 상기 극저온 엔진으로 전달하도록 유체 통신(fluid communication) 상태에 있는 제 1 열전달 부재를 포함할 수도 있다.
대안적 구현예에서, 시스템은 냉장실을 포함할 수도 있고, 극저온 엔진 시스템은 상기 냉장실로부터의 열을 제거하기 위한 직접적 히트 싱크이다.
이러한 대안적 구현예에서 열 교환 시스템은 극저온 엔진 시스템의 팽창된 작동 유체와 직접적 열접촉하는 제 2 열전달 부재, 상기 냉장실의 내부와 직접적 열접촉하는 제 3 열전달 부재를 포함하고, 상기 제 2 열전달 부재 및 제 3 열전달 부재 모두와 열 접촉하는 중간 열전달 유체 순환 시스템을 더 포함할 수도 있다.
하나의 특정 구현예에서 냉장 시스템은 증기 압축 사이클을 포함할 수도 있다.
하나의 구현예에서 상기 중간 열전달 유체 순환 시스템은 시스템 내의 열전달 유체를 압축하기 위한 압축기를 포함할 수도 있다. 이러한 압축기는 극저온 엔진의 구동 수단에 의하여 구동될 수도 있다.
상기 제 1 및 / 또는 제 3 열전달 부재는 챔버의 내부와 열을 교환하도록 구성된다.
시스템은 상기 챔버의 내부로부터 대기를 제거하고 이것을 상기 열전달 부재를 거쳐 디렉팅하기 위한 제 1 도관 및 대기를 상기 챔버의 내부로 다시 디렉팅하기 위한 제 2 도관을 포함할 수도 있다.
시스템은 상기 챔버의 내부로부터 대기를 제거하고 이것을 상기 열전달 부재를 거쳐 디렉팅하기 위한 제 1 도관 및 대기를 상기 챔버의 내부로 다시 디렉팅하기 위한 제 2 도관을 포함할 수도 있다.
시스템은 냉장실로부터의 공기를 제 1 및/또는 제 2 도관을 통하여 순환시키기 위한 팬을 더 포함할 수도 있다. 이러한 팬은 극저온 엔진의 구동 수단에 의하여 구동될 수도 있다.
하나의 구현예에서 중간 열전달 유체 순환 시스템은 상기 제 2 열전달 부재에 의하여 형성된 콘덴서; 팽창기; 및 상기 제 3 열전달 부재에 의하여 형성되는 증발기를 더 포함할 수도 있다.
압축기는 극저온 엔진 시스템의 구동 수단에 의하여 구동될 수도 있다.
하나의 구현예에서 시스템은 상기 작동 유체를 통기구 또는 배기구로부터 상기 냉장실로 전달하기 위하여 상기 극저온 엔진 시스템의 상기 통기구 또는 배기구 및 상기 냉장 시스템의 냉장실 사이에서 연장하는 제 2 전달 수단을 더 포함할 수도 있다.
대안적 구현예에서, 냉장 시스템은 에어 사이클일 수도 있다.
에어 사이클 냉장 시스템은 상기 냉장실로부터 공기를 제거하기 위한 제 1 도관; 압축기; 팽창 이전에 상기 냉장 시스템 내의 공기를 가열하기 위한 냉장고 열 교환기; 팽창기; 및 팽창되고 냉각된 공기를 상기 냉장실로 반환하기 위한 제 2 도관을 포함할 수도 있다.
상기 냉장 시스템의 압축기는 상기 극저온 엔진 시스템의 구동 수단에 의하여 구동될 수도 있다.
극저온 엔진 시스템의 적어도 하나의 열 교환기는 냉장 시스템의 적어도 하나의 열 교환기와 커플링될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 극저온 엔진 시스템의 제 2 열 교환기 및 배기구 열 교환기 중 적어도 하나는 상기 냉장고 열 교환기와 커플링된다.
이러한 시스템은 또한: 작동 유체를 저장하기 위한 탱크; 구동 수단; 상기 구동 수단에 기계적으로 커플링되고, 상기 탱크와 유체 통신 상태에 있으며, 작동 유체를 팽창시켜 기계적 작업을 상기 구동 수단을 통하여 팽창시키도록 구성되는, 제 1 팽창기; 및 상기 탱크 및 제 1 팽창기 사이에서 유체 통신 상태에 있고 상기 작동 유체가 상기 제 1 팽창기로 인도되기 전에 상기 작동 유체로 열을 전달하도록 구성되는, 제 1 열 교환기를 포함할 수도 있다.
극저온 엔진 시스템은 작동 유체를 제 1 열 교환기 내로 도입하도록 구성되는 제 1 펌프를 더 포함할 수도 있다. 이러한 제 1 펌프는 구동 수단에 의하여 구동될 수도 있다.
극저온 엔진 시스템은 제 1 팽창기와 유체 통신 상태에 있는 제 2 열 교환기를 더 포함할 수도 있다.
극저온 엔진 시스템은 구동 수단 및 상기 구동 수단에 기계적으로 커플링되고 상기 제 2 열 교환기와 유체 통신 상태에 있으며 기계적 작업을 상기 구동 수단을 통하여 팽창시키도록 구성되는 제 2 팽창기를 더 포함할 수도 있고, 상기 제 2 열 교환기는 상기 작동 유체가 상기 제 2 팽창기로 인도되기 이전에 열을 상기 작동 유체로 전달하도록 구성된다.
극저온 엔진 시스템은 배기구 열 교환기 및 상기 극저온 엔진 시스템으로부터의 작동 유체를 상기 작동 유체가 상기 팽창기들 중 하나 이상을 통해서 지나간 이후에 방출하기 위한 통기구를 더 포함할 수도 있다.
엔진은 열 교환 유체를 상기 제 1 팽창기 내로 도입하기 위한 도입기를 더 포함할 수도 있고, 제 1 팽창기는 상기 작동 유체를 상기 열 교환 유체와 혼합하도록 구성될 수도 있다.
상기 극저온 엔진 시스템은: 팽창 이후에 작동 유체를 상기 열 교환 유체로부터 분리하기 위하여 상기 제 1 팽창기와 유체 통신 상태에 있는 상분리기; 상기 열 교환 유체를 재가열하기 위한 재가열기; 및 상기 열 교환 유체를 상기 제 1 팽창기로 반환하기 위한 제 2 펌프를 더 포함할 수도 있다.
제 2 펌프는 구동 수단에 의하여 구동될 수도 있다.
극저온 엔진 시스템은 작동 유체가 상기 팽창기(들)를 통해서 지나간 이후에 상기 극저온 엔진 시스템으로부터 상기 작동 유체를 방출하기 위한 통기구를 더 포함할 수도 있다.
하나 이상의 팽창기(들) 중 적어도 하나는 왕복 팽창기일 수도 있다.
대안적으로는, 팽창기(들) 중 적어도 하나는 터빈 팽창기일 수도 있다.
바람직하게는, 극저온 엔진 시스템은 냉장 시스템 외부의 적어도 하나의 추가 시스템을 구동하도록 구성된다.
상기 극저온 엔진 시스템의 작동 유체는 액체 질소, 액체 공기, 액화 천연 가스, 이산화탄소, 산소, 아르곤, 압축 공기 또는 압축 천연 가스 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예시를 통하여 이제 설명될 것이다:
도 1 은 본 발명에 따르는 시스템의 박스 도면이다;
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 극저온 엔진 시스템의 개략도이다;
도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 따르는 극저온 엔진 시스템의 개략도이다;
도 4 는 도 2 에 도시되는 극저온 엔진 시스템 및 제 1 예시적 냉장 시스템의 개략도이다;
도 5 는 도 2 에 도시되는 극저온 엔진 시스템 및 제 1 예시적 냉장 시스템을 포함하는 시스템의 개략도이다;
도 6 은 도 3 에 도시되는 극저온 엔진 시스템 및 제 1 예시적 냉장 시스템을 포함하는 시스템의 개략도이다;
도 7 은 도 2 에 도시되는 극저온 엔진 시스템 및 제 2 예시적 냉장 시스템을 포함하는 시스템의 개략도이다;
도 8 은 서로 조합된 왕복 팽창기 및 터빈 팽창기 모두를 도시하는 장치이다.
도면에서, 유사한 피쳐들은 유사한 참조 번호에 의하여 표시된다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따르는 시스템(1)의 박스 도면이다. 시스템(1)은 극저온 엔진 시스템(10) 및 냉장 시스템(60)을 포함한다. 극저온 엔진 시스템(10)은 열역학 파워 사이클(12) 및 극저온 작동 유체, 예컨대 액체 질소, 액체 공기, 액화 천연 가스, 이산화탄소, 산소, 아르곤, 압축 공기 또는 압축 천연 가스, 또는 극저온 유체들의 혼합물, 예컨대 액체 공기를 저장하기 위한 탱크(14)를 포함한다. 당업자는 임의의 다른 적합한 극저온 작동 유체 도 동등하게 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 냉장 시스템(60)은 냉장실(64)을 냉장하기 위하여 사용되는 냉장 시스템(62)을 포함한다. 열 교환 시스템(90)은 극저온 유체로부터의 한기(cold)를 냉장실의 내부(64i)로 그리고 / 또는 냉장실(64)의 내부(64i)로부터의 열을 극저온 유체(WF)로 그것의 팽창을 지원하기 위하여 전달하는 임의의 하나 이상의 컴포넌트에 의하여 형성된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 극저온 엔진 시스템(10) 및 냉장 시스템(60)은 서로 기계적으로 및/또는 열적으로 커플링된다. 극저온 엔진 시스템(10)은 냉장 시스템(60)의 냉장 시스템(62)에 기계적으로 커플링되고, 냉장 시스템(62) 및/또는 냉장실(64)과 직접적으로 열적으로 커플링된다. 열적 커플링은 본 명세서에서 추후에 좀 더 상세하게 논의되는 열 교환 시스템(90)을 이용한다. 기계적 커플링이란 극저온 엔진 시스템(10)이 기계적으로 냉장 시스템(62)을 구동한다는 것을 의미한다. 대안적으로는, 기계적 커플링은 극저온 엔진 시스템이 냉장 시스템을 구동하기 위하여 전기 발전기를 구동하도록 허용할 수 있다. 열적 커플링이란 냉장 시스템(60)에 의하여 발생된 열이 극저온 엔진 시스템(10) 내에서 작동 유체를 팽창시키기 위하여 사용되고 극저온 엔진 시스템(10)내의 냉각(극저온 작동 유체의 결과)이 냉장 시스템(60)으로부터의 열을 제거하기 위한 히트 싱크로서 작동한다는 것을 의미한다. 극저온 엔진 시스템(10)은 냉장실(64)에 대한 직접적 또는 간접적 히트 싱크일 수도 있다. 직접적 구현예에서, 극저온 엔진으로부터의 냉기는 컨테이너(64) 내부로부터의 대기와 직접적 접촉하는 열 교환기로 직접적으로 전달되는 반면에 간접적 구현예에서는 극저온 엔진으로부터의 한기는 우선 중간 열전달 유체(F)로 전달되고 이것이 이제 한기를 냉장실(64) 내부로부터의 대기로 전달한다. 이러한 구현예 모두가 본 명세서에서 추후에 더 자세하게 설명된다. 도 7 및 도 8 이 간접적 구현예를 예시한다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 극저온 엔진 시스템(110)을 도시한다. 극저온 엔진 시스템(110)의 열역학 파워 사이클(112)은 단열된 스토리지 탱크(114)로부터의 가압된 극저온 작동 유체(WF)(예를 들어 액체 질소)의 전달을 수반한다. 이것은 탱크(114) 내에 또는 외부에 탑재된 극저온 펌프(116)에 의하여, 또는 예를 들어 가열 회로를 통한 탱크 가압에 의하여 달성된다. 액체 질소는 간접적 열전달을 위하여 제 1 열 교환기(118)로 전달되는데 여기에서 액체 질소는 질소 가스로 기화되고 제 1 팽창기(120) 내에서 팽창되기 이전에 가열된다. 팽창이 거의 단열 과정이므로 질소 가스 온도에서의 하강이 발생한다. 그러므로 한기가 각각의 확대 스테이지 이전에 그리고 이후에 캡쳐된다. 제 1 팽창은 추가적 열 교환기 및 팽창을 수반하는 임의의 개수의 후속 스테이지에 의하여 후속된다. 도 2 에 도시되는 실시예는 제 2 열 교환기(122) 및 제 2 팽창기(124)를 포함한다. 작동 유체 또는 질소 가스는 통기구(128)를 통한 대기로의 배기 이전에 최종 팽창 이후에 간접적 배기구 열 교환기(126)를 통해서 역시 전달된다. 각각의 스테이지 내의 팽창기들은 도면에서 드라이브 샤프트(130)의 형태로 도시되는 구동 수단을 통해서 파워를 생성하는 왕복 또는 터빈 타입이다. 드라이브 샤프트(130)를 통한 기계적 파워 출력이 다른 디바이스 또는 시스템, 예컨대 냉장 시스템에 파워를 공급하기 위하여 이제부터 자세하게 설명되는 바와 같이 사용된다.
비록 구동 수단(130)이 본 명세서에서 드라이브 샤프트인 것으로 설명되지만, 당업자는 대안적 기계적 구동 수단이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 더욱이, 유압식 또는 전기 펌프 또는 모터 및 다른 비-기계적 구동 수단도 역시 사용될 수 있다. 중간 저장 수단, 예컨대 배터리도 역시 제공될 수 있다. 추가적으로, 각각의 팽창기는 별개의 구동 수단 또는 드라이브 샤프트와 커플링될 수 있고, 이러한 경우에 드라이브 샤프트는 예를 들어 전기적 커플링에 의하여 서로 커플링된다.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 따르는 극저온 엔진 시스템(210)을 도시한다. 극저온 엔진 시스템(210)은 위에서 도 2 를 참조하여 설명된 바와 같이 탱크(214), 제 1 펌프(216), 제 1 열 교환기(218), 제 1 팽창기(220) 및 통기구(228)를 포함한다. 그러나, 이러한 실시예에서, 직접적 접촉 열전달이 제 2 펌프(232) 및 도입기(250)를 사용하여 제 1 팽창기(220) 내로 도입된 열전달 유체(글리콜, 물, 냉매 또는 에어)를 사용하여 전달하기 위하여 사용된다. 그러므로 질소는 열전달 유체에 의하여 제 1 팽창기(220) 내에서 가열되고 기화될 수도 있다. 팽창 이후에, 열전달 유체는 사이클로닉 또는 다른 상분리기(234)에 의하여 질소로부터 분리되고, 질소 가스는 통기구(228)를 통하여 대기로 배기된다. 질소로부터 분리되면, 열전달 유체는 재가열기(236)를 통해서 전달되고 재사용을 위하여 제 2 펌프(232)에 의하여 제 1 팽창기(220)로 다시 펌핑된다.
도 3 에 도시되는 실시예에서, 제 2 펌프(232)는 기계적 파워를 제 1 팽창기(220)로부터 출력하는 드라이브 샤프트(230)에 의하여 구동된다. 그러나, 임의의 다른 편리하게-위치결정된 파워 소스도 균등하게 사용될 수 있다. 팽창기(220)는 다시 말하건대 왕복 또는 터빈 타입일 수도 있고 드라이브 샤프트(230)를 통한 파워 출력을 생성하는 다중 또는 단일 스테이지로 이루어진다. 대안적으로는, 각각의 팽창기는 자기 자신의 개별 드라이브 샤프트를 통해서 기계적 작업을 출력할 수도 있는데, 이러한 경우 드라이브 샤프트는 예를 들어 전기적 커플링에 의하여 서로 커플링된다.
도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 팽창 스테이지로부터의 드라이브 샤프트에 의한 작업 출력은 제 1 펌프를 구동하기 위하여 사용된다. 도 5 내지 도 8 에 도시되는 본 발명의 시스템의 실시예에서, 팽창에 의하여 생성되고 드라이브 샤프트에 의하여 출력되는 기계적 파워는 냉장 시스템을 구동하여 냉장실을 냉각시키기 위하여 사용된다. 냉장 시스템은 샤프트 파워를 사용할 수 있는 임의의 공지된 구현예의 것일 수 있고, 예컨대 증기-압축 또는 에어 사이클 타입일 수 있다.
도 4 는 드라이브 샤프트(330)를 거쳐 냉장 시스템(360)에 기계적으로 커플링되는 도 2 에 도시되는 것과 유사한 극저온 엔진 시스템(310)을 포함하는 시스템(300)을 도시한다. 냉장 시스템(360)은 냉장실로부터 공기를 제거하기 위한 제 1 도관(366), 압축기(368), 냉장고 열 교환기(370), 팽창기(372), 및 찬 공기를 냉장실로 반환하기 위한 제 2 도관(374)을 포함한다. 도 4 도시한다는 드라이브 샤프트(330)가 냉장 시스템(360)의 압축기(368)를 구동한다는 것을 도시한다. 냉장 시스템의 팽창기(372)는 드라이브 샤프트(330)의 구동을 지원한다.
극저온 엔진 시스템 및 냉장 시스템 사이에서 기계적 커플링과 함께 열적 커플링을 가지는 것도 역시 유리하다. 도 5 내지 도 8 은 이러한 장점을 획득하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 극저온 엔진 시스템 내의 열 교환기는 적합한 배관작업 또는 인터페이스의 다른 수단을 통하여 열 교환 시스템(90) 내의 그것들과 커플링된다. 이것의 목적은 냉장실(64)로부터의 열을 찾아내어 팽창될 수 있는 극저온 엔진 시스템 내의 극저온 유체를 데우는 것이다. 또한 열은 대기(주변 열) 또는 IC 엔진으로부터의 임의의 다른 열원으로부터 올 수도 있다. 이러한 접근법의 다른 이점은 냉장 시스템으로부터의 열 차단(heat rejection)을 향상시켜 시스템의 냉장 성질을 개선하는 것이다. 이러한 열전달이 결합형 열 교환기/라디에이터 내의 환경과의 열전달에 추가적으로 작용하는 것이 유익할 수 있다.
도 5 는 도 4 를 참조하여 설명된 바와 같은 에어 사이클 냉장 시스템에 커플링된 2-스테이지 열역학 파워 사이클을 가지는 극저온 엔진 시스템(410)(위에서 도 2 를 참조하여 설명된 것과 유사함)을 포함하는 시스템(400)을 도시한다. 극저온 엔진 시스템의 제 2 열 교환기(422) 및 배기구(426) 열 교환기는 냉장 시스템의 고온측에 있는 열 교환기(470)와 열적으로 커플링된다. 이것은 추가적일 수도 있고, 또는 냉장 시스템 내의 대기와의 열 교환을 대체할 수도 있다. 제 1 스테이지 열 교환기(418)(또는 기화기)는 반환 공기 흐름(474)(즉 냉장실로 반환되는 중인 찬 공기)과 커플링되어 냉동실로 반환되기 이전에 한제에 의하여 반환 에어의 추가적 냉각을 허용한다. 만일 극저온 유체가 액체 공기라면 찬 배기를 냉장실로 직접적으로 환기시키는 것도 역시 바람직할 수도 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 극저온 엔진 시스템(410)의 제 1 펌프(416), 및 냉장 시스템(460)의 압축기(468)는 모두 극저온 엔진 시스템(410)의 팽창기에 의하여 제공되는 기계적 작업을 출력하는 드라이브 샤프트(430)에 의하여 구동된다. 냉장 시스템의 팽창기(472)는 드라이브 샤프트(430)를 구동하는 것을 지원한다.
도 6 은 도 5 와 유사하지만 극저온 엔진 시스템이 도 3 에 도시되는 것과 유사한 시스템(510)으로 대체된 시스템(500)을 도시한다. 이러한 구현예에서, 열 교환 유체(HEF)가 제 1 팽창기(520) 내에서의 팽창 도중에 극저온 엔진 시스템(510) 내의 질소를 가열하기 위하여 사용되고, 바람직하게는 열 교환 유체(HEF)의 재가열은 냉장 시스템의 에어 사이클의 고온측으로부터의 열을 사용한다. 도입기(550)는 HEF가 팽창기(550) 내로 도입되도록 허용한다. 이것은 질소 팽창 내의 주위 온도보다 더 높은 온도를 허용하고, 극저온 엔진 시스템(510)의 파워 사이클의 작업 출력을 증가시킨다.
도 7 은 위에서 도 2 를 참조하여 설명된 것과 유사한 극저온 엔진 시스템(610)이 냉장실(64)로부터 에어/ 대기를 제거하기 위한 제 1 도관(666), 압축기(676), 콘덴서(678), 팽창 밸브(680), 증발기(682), 찬 공기를 냉장실(64)로 반환하기 위한 제 2 도관(674), 및 냉각을 위하여 제 1 및/또는 제 2 도관을 통해 냉장실(64)로부터의 공기를 순환시키기 위한 팬(684)을 포함하는 증기 압축 냉장 시스템(660)에 커플링되는 다른 실시예를 도시한다. 제 2 열 교환기(622) 및 배기구(626) 열 교환기는 냉장 시스템(660)의 콘덴서(678)와 열적으로 커플링된다. 제 1 스테이지 열 교환기(618) 및 증발기(682)는 순차적으로 열을 냉장실(64)로부터의 찬 공기와 교환하기 위하여 구현된다. 중간 열전달 유체 순환 시스템(690)이 냉장 시스템(660)의 컴포넌트들 사이에서 사용되고 열전달 유체(F)를 보유한다. 이전에 설명된 바와 같이, 극저온 엔진 사이클의 제 1 펌프(616), 및 냉장 시스템의 압축기(676)는 극저온 엔진 시스템(610)의 팽창기에 의하여 제공되는 기계적 작업을 출력하는 드라이브 샤프트(630)에 의하여 구동된다. 냉각 코일을 통과하는 공기 흐름을 구동하는 팬(684)도 역시 드라이브 샤프트(630)에 의하여 파워가 공급된다.
도 8 은 열전달 유체(F)가 냉장 회로에서 사용되는 동안에 이전에 논의된 바와 같이 열 교환 유체(HEF)가 극저온 엔진 구현예 내에서 사용되는 또 다른 구현예를 예시한다. 좀 더 상세하게, 작동 유체(WF)는 팽창기(720) 내로 도입되기 이전에 작동 유체를 팽창시키기 위하여 제 1 열 교환기(718)를 통하여 전달된다. 열 교환 유체(HEF)는 HEF를 팽창기(750) 내로 도입하기 위한 도입기(750), HEF를 WF로부터 분리하고 소비된 작동 유체가 배기구(exhause; 728)를 통해 대기로 배기되도록 허용하며 HEF가 열 교환기 콘덴서(722, 726, 770, 778)를 통해서 재순환되도록 하기 위한 상분리기(734) 내에 제공되고, 콘덴서 내에서 HEF는 재사용을 위해 팽창기(720)로 다시 전달되기 이전에 재가열된다. 열 교환기(722)는 또한 냉장 시스템 회로(790) 내의 콘덴서 열 교환기(778)로서도 작동한다. 회로(790)는 바람직하게는 극저온 엔진(710)의 구동 수단(730)에 의하여 구동되는 압축기(776), 순환 유체(F)를 팽창시키기 위한 팽창기(780) 및 도 7 을 참조하여 위에서 설명된 매우 유사한 증발기(782)를 더 포함한다. 팽창된 바 있는 유체(F)는 압축기(776)로 반납되기 이전에 열 교환 증발기(782)를 통해서 지나간다. 구현예는 에어/ 대기를 냉장실(64)로부터 제거하고 상기 대기가 팽창기 열 교환기(782)를 통해서 지나가도록 하여 냉장실(64)로부터의 대기 및 유체 F 사이에서 열을 교환하며, 이를 통하여 대기를 냉각하기 위한 제 1 도관(666) 및 대기를 컨테이너(64)로 반환하기 이전의 제 2 도관(774)을 더 포함한다. 제 1 열 교환기(718)는 대기의 흐름 경로 내에 배치될 수도 있고, 편리하게는 열전달을 이용하여 대기를 냉각하거나 더욱 냉각하기 위하여 제 2 도관(774) 내에 배치될 수도 있다. 열 교환기(782 및 718)는 도관(766, 774)들 중 하나 또는 다른 것 또는 모두 내에서 배치될 수도 있다.
위의 구현예의 열 교환기(118, 122, 126, 218, 236, 318, 322, 326, 370, 418, 422, 426, 470, 518, 570, 618, 622, 626, 670, 718, 782, 770)가 개별적으로 및 / 또는 서로 조합하여 극저온 엔진 및 냉장 시스템(60) 또는 냉장실(64) 자체 중 하나 또는 다른 것 또는 모두 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환 시스템(90)을 효과적으로 형성한다는 것이 인정될 것이다. 이러한 열 교환기 중 하나 이상은 열전달 태스크를 수행할 때에 열전달 부재라고 지칭될 수도 있다. 본 명세서 내에서 직접적 열 교환이란 극저온 엔진 및 냉장실(64) 내의 대기 사이에서의 단일 열 교환기를 통한 열의 교환을 지칭하는 한편 간접적 열 교환은 중간 열전달 유체를 채용하는 구현예를 지칭한다.
위에서 설명된 실시예들 모두에서, 드라이브 샤프트 또는 드라이브 샤프트들(냉장 시스템 내의 임의의 팽창기에 의하여 지원됨)에 의하여 출력되는 극저온 엔진으로부터의 샤프트 파워는 냉장 시스템 내의 압축기, 펌프 및 임의의 팬을 구동하기 위하여 사용된다. 대안적인 실시예에서, 드라이브 샤프트에 의하여 출력되는 샤프트 파워의 전부 또는 일부는 보조 파워 소스로서 사용되고, 따라서 예를 들어 조명 또는 제어 목적을 위한 교류발전기를 구동하기 위하여 사용되거나 또는 트랙터에 파워를 공급하기 위한 일차 소스로서 사용된다.
본 발명의 시스템에 대한 적용예의 예들은 무거운 물건을 싣는 차량용 냉장 트레일러, 가벼운 물건을 싣는 차량 및 밴용 냉장 시스템 및 배달에 사용되는 냉장된 컨테이너를 위한 시스템을 포함한다. 이러한 시스템은 또한 정적 냉장 컨테이너 및 빌딩의 일부 클래스에 대해서도 유익하다. 앞서 언급된 적용예의 모두에서, 냉장된다는 용어는 부패가능 생산물(~0 ℃)의 이송을 위한 그리고 냉동품(~-20 ℃)을 위한 표준 온도를 포함하지만 이것으로 한정되지는 않는 임의의 주변 유지 온도 아래의 온도에 적용된다. 특히 수송 적용예 내에 설치된 것들과 같은 에어 컨디셔닝 시스템의 모든 클래스에 대해서도 본 발명에 대한 잠재적인 적용예가 존재한다.
본 발명은 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 예시적인 형태로 위에서 설명되어 왔다. 많은 상이한 본 발명의 실시예들이 존재하며, 이러한 실시예들이 모두 후속하는 청구항에 의하여 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에 속한다는 것이 이해될 것이다.

Claims (33)

  1. 냉각 장치로서,
    극저온 엔진 시스템(610, 710)으로서,
    구동 수단(130, 230, 330, 430, 530, 630, 730),
    제 1 팽창기(220, 720) 내에서 작동 유체(WF) 및 열 교환 유체(HEF)를 이용하는 제 1 팽창기(220, 720), 및
    도입기(750)를 포함하는 회로로서, 상기 도입기는 열 교환 유체(HEF)를 제 1 팽창기 내로 제공하고, 상기 제 1 팽창기는 상기 작동 유체(WF)를 팽창시켜 기계적 작업을 상기 구동 수단(130, 230, 330, 430, 530, 630, 730)을 통하여 출력하도록 구성되는, 회로
    를 포함하는, 극저온 엔진 시스템(610, 710);
    열 교환 시스템(90)을 포함하는 냉장 시스템(660); 및
    상기 열 교환 시스템(90)에 열적으로 접속된 냉장실(64)
    을 포함하고,
    상기 극저온 엔진 시스템(610, 710) 및 냉장 시스템(660)은 상기 열 교환 시스템(90)을 통하여 서로 열적으로 커플링되어,
    상기 극저온 엔진 시스템(610, 710) 내의 작동 유체(WF) 및 열 교환 유체(HEF) 중 적어도 하나가 상기 냉장 시스템(660)으로부터의 열을 제거하기 위한 히트 싱크로서 작동하게 하고,
    상기 냉장 시스템(660)에 의하여 발생된 열이 상기 극저온 엔진 시스템(610, 710) 내의 작동 유체(WF)를 팽창시키도록 사용되게 하며,
    상기 극저온 엔진 시스템(610, 710)은 상기 냉장실(64)로부터의 열을 제거하기 위한 직접적 및 간접적 히트 싱크이며,
    상기 열 교환 시스템(90)은,
    상기 극저온 엔진 시스템(610, 710)으로부터의 작동 유체(WF)와 직접적 열접촉하고 상기 냉장실(64)과 직접적 열접촉하는 제 1 열 교환기(618, 718);
    상기 극저온 엔진 시스템(610, 710)의 팽창된 작동 유체(WF) 및 열 교환 유체(HEF) 중 적어도 하나와 직접적 열접촉하는 제 2 열전달 부재(622, 626, 670, 678, 722, 726, 770, 778);
    상기 냉장실(64)의 내부와 직접적 열접촉하는 제 3 열전달 부재(682, 782); 및
    상기 제 2 열전달 부재(622, 626, 678, 722, 726, 778) 및 제 3 열전달 부재(682, 782) 모두와 열 접촉하는 중간 열전달 유체 순환 시스템(690, 790)을 포함하는, 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉장 시스템(660)은 증기 압축 사이클을 포함하는, 냉각 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중간 열전달 유체 순환 시스템(690, 790)은 열전달 유체(F) 및 상기 시스템 내에서 상기 열전달 유체(F)를 압축하기 위한 압축기(676, 776)를 포함하는, 냉각 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압축기(676, 776)는 상기 극저온 엔진 시스템(610, 710)의 구동 수단(630, 730)에 의하여 구동되는, 냉각 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 열 교환기(618) 및 제 3 열전달 부재(682) 중 적어도 하나는 상기 냉장실(64)의 내부(64i)와 열교환하도록 구성되는, 냉각 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉장실(64)의 내부(64i)로부터 대기를 제거하고 이것을 제 1 열 교환기(618, 718) 및 제 3 열전달 부재(682, 782)를 거쳐 디렉팅하기 위한 제 1 도관(666) 및 대기를 상기 냉장실(64)의 내부(64i)로 다시 디렉팅하기 위한 제 2 도관(674)을 포함하는, 냉각 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉장실(64)로부터의 대기를 상기 제 1 도관(666, 766) 및 제 2 도관(674, 774) 중 적어도 하나을 통해서 순환시키기 위한 팬(684, 784)을 포함하는, 냉각 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 중간 열전달 유체 순환 시스템(690, 790)은:
    상기 제 2 열전달 부재(622, 722)에 의하여 형성된 콘덴서(678, 778);
    팽창기(680, 780); 및
    상기 제 3 열전달 부재(682, 782)에 의하여 형성되는 증발기를 더 포함하는, 냉각 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 작동 유체(WF)를 통기구 또는 배기구로부터 상기 냉장실로 전달하기 위하여 상기 극저온 엔진 시스템(110)의 상기 통기구 또는 배기구(128, 228) 및 상기 냉장 시스템의 냉장실(64) 사이에서 연장하는 제 2 전달 수단을 더 포함하는, 냉각 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉장 시스템은 에어 싸이클이고:
    상기 냉장실(64)로부터 공기를 제거하기 위한 제 1 도관(366, 466, 566);
    압축기(368, 468, 568);
    팽창 이전에 상기 냉장 시스템 내의 공기를 냉각하기 위한 냉장고 열 교환기(370, 470, 570);
    팽창기(372, 472, 572); 및
    팽창되고 냉각된 공기를 상기 냉장실(64)로 반환하기 위한 제 2 도관(374, 474)을 포함하는, 냉각 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉장 시스템의 압축기는 상기 극저온 엔진 시스템(310, 410, 510)의 구동 수단(330, 430, 530)에 의하여 구동되는, 냉각 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 극저온 엔진 시스템(110)의 적어도 하나의 열 교환기(118, 122, 126, 218, 318, 322, 326)는 상기 냉장 시스템의 적어도 하나의 열 교환기(370, 470, 418, 570, 518, 670, 618)와 커플링되는, 냉각 장치.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 극저온 엔진 시스템(110)의 제 2 열 교환기(422) 및 배기구 열 교환기(426) 중 적어도 하나는 상기 냉장고 열 교환기(470)와 커플링되는, 냉각 장치.
  14. 제 1 항, 제 2 항, 제 10 항 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극저온 엔진 시스템(110)은:
    작동 유체(WF)를 저장하기 위한 탱크(114, 214, 314, 414, 514, 614, 714);
    상기 구동 수단(130, 230, 330, 430, 530, 630, 730)에 커플링되고, 상기 탱크(114, 214, 314, 414, 514, 614, 714)와 유체 통신 상태에 있는 제 1 팽창기(120, 220, 320, 330, 420, 520, 620, 720); 및
    상기 탱크(114, 214, 314, 414, 514, 614, 714) 및 제 1 팽창기(120, 220, 320, 420, 520, 620, 720) 사이에서 유체 통신 상태에 있고 상기 작동 유체(WF)가 상기 제 1 팽창기(120, 220, 320, 420, 520, 620, 720)로 인도되기 전에 상기 작동 유체(WF)로 열을 전달하도록 구성되는 제 1 열 교환기(118, 218, 318, 418, 518, 618, 718)를 포함하는, 냉각 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 극저온 엔진 시스템(210, 510)은:
    팽창 이후에 작동 유체(WF)를 상기 열 교환 유체(HEF)로부터 분리하기 위하여 상기 제 1 팽창기(220, 520)와 유체 통신 상태에 있는 상분리기(234, 534);
    상기 열 교환 유체(HEF)를 재가열하기 위한 재가열기(236, 570); 및
    상기 열 교환 유체(HEF)를 상기 제 1 팽창기(220, 520)로 반환하기 위한 제 2 펌프(232, 532)를 더 포함하는, 냉각 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 펌프(232, 532)는 상기 구동 수단(230, 530)에 의하여 구동되는, 냉각 장치.
  17. 제 1 항, 제 2 항, 제 10 항 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체(WF)는 액체 질소, 액체 공기, 액화 천연 가스, 이산화탄소, 산소, 아르곤, 압축 공기 또는 압축 천연 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 냉각 장치.
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